1、第四章 扫描探针显微镜,欧阳星 深圳大学材料学院,X射线衍射,光学显微镜 和 扫描电子显微镜,高分辨透射电子显微镜,场离子显微镜和原子探针显微分析,X射线光电子 能谱,人类一直想直接看到原子，1981年扫描隧道显微镜的发明使梦想成为现实。其它和扫描隧道显微镜有相似原理的极高分辨率的仪器如原子力显微镜、扫描热显微镜等相继出现。统称扫描探针显微镜(SPM)。,相较于其它显微镜技术的各项性能指标比较,SPM设备相对简单、体积小、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、操作简便等特点，同时日常维护和运行费用低。扫描探针显微镜正在迅速地被应用于科学研究的许多领域，如纳米技术，催化新材料，生命科学，半导体科
2、学等，并且取得了许多重大的科研成果。,本章讲述最受关注的两种扫描探针显微镜。,扫描隧道显微镜(STM)原子力显微镜（AFM）,扫描隧道显微镜(STM),引言工作原理工作模式在材料研究中的应用,1.引言,使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。 在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的前景，被国际科学界公认为二十世纪八十年代世界十大科技成就之一。 1986年，STM的发明者宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。,STM出现的意义,2.工作原理,隧道效应一般来说，带偏压的两个平板导体间只要不接触不会有电流流过。但是当这两个导
3、电平板靠得很近，相隔小于1nm时，即使不接触，也会产生电流。电子像穿过中间的隧道一般形成电流，因此称为隧道电流。,电子像穿过中间的隧道一般形成电流，因此称为隧道电流。这种隧道电流随着间距的减少呈指数上升。这种现象就是量子力学中的隧道效应。,把一个平板导体替换为一个很尖的针尖，让针尖对另外一个导体（样品）做二维扫描。通过记录z方向的电流或者高度变化来得到样品的三维图像。,针尖隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要 问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着 扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影 响着测定的电子态。 目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法(金属钨 丝)、机械成
4、型法(铂-铱合金丝)等。金属钨丝 铂-铱合金丝,分辨水平可以达到0.01nm。要求样品和针尖都必须是导体或者半导体。,3.工作模式,恒流模式在图像扫描时利用反馈回路控制针尖和样品之间的距离不断变化来保持隧道电流恒定，从而得到样品表面起伏的原子图像。恒流模式可以用于观察表面形貌起伏较大的样品。 恒高模式始终控制针尖的高度不变，取出扫描过程中针尖和样品之间的电流变化信息来绘制样品表面的原子像。只能用于观察表面形貌起伏不大的样品。但获得图像速度比恒流模式快。,恒流模式,恒高模式,其他工作模式： 1、I(Z)谱测量：通过改变针尖的高度得到的一系列的隧道电流而形成的曲线。I(Z)谱可检测针尖的质量。 2
5、、I(V)谱测量：断开反馈回路，固定针尖位置，通过一系列不同的偏压下得到的隧道电流而形成的曲线。 3、势垒高度图象：对针尖Z方向的压电管加一交流电压从而调制针尖与样品的距离，可根据调制的信号得到dI/dZ在表面形成的图象。该图象提供了样品表面的微观功函数的空间分布。 4、电子态密度图象：在扫描过程中，偏压V以dU调制，从而得到调制后的隧道电流dI，这样dI/dV在表面形成的图象就反应了样品表面的电子态密度分布。,4.在材料研究中的应用,纯金属表层原子结构及表面相变 半导体材料表面原子结构及表面相变 纯金属表面吸附（表面反应）过程的动态研究 材料表面物理沉积过程的原位观察 材料组织结构及相结构的
6、研究 表面纳米加工及单原子的操纵,具有原子级高分辨率。 可实时地得到在实空间中表面的三维图象。 可观察单个原子层的局部表面结构。 可在真空、大气、常温等不同环境下工作，并且探测过程对样品无损伤。,STM的优点,STM的恒流工作模式下，有时对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。 只能观察样品表面，不能探测样品的深层信息。 对探针的制备技术要求很高。实验的成功率在很大程度上依赖于操作者的经验和机遇。 探针扫描范围小（微米范围），难以对观察点精确定位。 样品必须具有一定程度的导电性。,STM的局限性,原子力显微镜(AFM),工作原理工作模式在材料研究中的应用,1 原子力显
7、微镜(AFM)工作原理,原子力显微镜利用原子力来实现显微观察，与导电无关。克服了STM不能测量不导电样品的缺点，实现了对绝缘体原子级的观察。利用一个对微弱力极敏感的微悬臂，其末端有一微小的针尖，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的力，这力使微悬臂发生偏离。用激光检测法测得微悬臂对应于扫描各点的偏离量，从而可以获得样品的表面形貌的信息。,微悬臂,原子力,在这个过程中，通过反馈系统控制样品的上下（z方向）移动，改变探针与样品距离或原子间作用力，同时在样品的水平面（x,y平面）内做二维扫描，即可获得样品表面的三维结构图。,2.工作模式,接触模式探针与样品表面紧密接触并在表面滑动。针尖与样品之
8、间的相互作用力是两者相接触原子间的排斥力。靠这种排斥力获得图像。通过反馈系统控制样品的上下（z方向）移动，改变探针与样品距离，以保持排斥力不变，同时在样品的水平面（x,y平面）内做二维扫描，从而可以获得样品的表面形貌的信息。 对易变形的低弹性样品存在缺点。,动态模式探针不与样品表面接触，在样品表面上方5-20nm内扫描，通过反馈系统控制样品的上下（z方向）移动，改变探针与样品距离，以保持微悬臂共振频率或振幅恒定。同时在样品的水平面（x,y平面）内做二维扫描，从而可以获得样品的表面形貌的信息。可适用于柔软、易脆和黏附性强的样品，并且对它们不产生破坏。适合高分子聚合物的结构研究。,3.在材料研究中的应用,乳胶漆聚结程度的分析涂料聚合物Tg的研究聚合物的玻璃化温度,10.3 其他扫描探针显微镜简介 10.4 扫描探针显微镜的硬度与磨损测试 10.5 扫描探针显微镜的计量化,自己看书了解,谢 谢！,
